Bildung und Kondensation alkali-, bor- und schwefelhaltiger Phasen in Abgasen aus Glasschmelzwannen- Thermodynamik, Kinetik und Technologie

Thiele, Swantje; Deubener, Joachim; Conradt, Reinhard

doi:HT019035624

Bildung und Kondensation alkali-, bor- und schwefelhaltiger Phasen in Abgasen aus Glasschmelzwannen- Thermodynamik, Kinetik und Technologie = Formation and condensation of alkaline, boron and sulphur containing phases in flue gases- thermodynamics, kinetics and technology

Thiele, Swantje

2016

VerantwortlichkeitsangabeSwantje Thiele

ImpressumAachen : Shaker 2016

Umfang1 Online-Ressource (V, 97 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-4604-5

ReiheBerichte aus der Werkstofftechnik

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Conradt, Reinhard (Thesis advisor) ; Deubener, Joachim (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-06-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-053900
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/660474/files/660474.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/660474/files/660474.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Abgasreinigung (frei) ; Glasschmelzwanne (frei) ; Bor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Verdampfung leicht flüchtiger Komponenten aus der Glasschmelze kann zu einer hohen Konzentration staub- und gasförmiger Komponenten im Abgas führen. Zur Einhaltung gesetzlich festgelegter Emissionsgrenzwerte sind Anlagen zur Abgasreinigung im Anschluss an Schmelzwannen daher oft unabdinglich. Gasförmige Borverbindungen lassen sich mit den traditionellen Verfahren zur Abgasreinigung häufig nur unzureichend abscheiden und passieren die Filteranlagen. Ursache dafür sind die hohen Dampfdrücke der Phasen (HBO2)n und H3BO3 und die Rückreaktionen aus bereits kondensiertem Filterstaub zu gasförmigen Borverbindungen. Erst beim Austritt des Abgases in die Atmosphäre kondensieren die Verbindungen und bilden ausgeprägte Abgasfahnen. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse von thermodynamischen Berechnungen, kinetischen Untersuchungen und der Analyse industrieller Filterstäube vorgestellt. Die Kombination dieser Methoden gibt Aufschluss über die Reaktionsmechanismen in borhaltigen Abgasen. Dadurch ergeben sich weitere Ansätze zur Optimierung der Reinigung borhaltiger Abgase.In schwefelfreien Abgasen entstehen die Phasen NaBO2, KBO2, Na2B4O7 und H3BO3. Ist Schwefel im Abgas vorhanden, werden die Phasen Na2SO4, NaHSO4, Na3(HSO4)(SO4) und K3Na(SO4)2 bevorzugt gebildet. Die Alkaliverbindungen bilden Kondensate, die im Temperaturbereich der Abgasfilter zwischen 400 und 200 °C sicher ausfallen. Stehen Bor im Abgas keine Alkalien als Reaktionspartner zu Verfügung, kann es als H3BO3 die Filteranlage gasförmig passieren. Die Kondensationstemperatur der Verbindungen ist jeweils abhängig vom Partialdruck der Komponente im Abgas. Bei einem typischen Partialdruck von PH3BO3 = 1 ∙ 10-4 bar im Abgas kondensiert H3BO3 unterhalb einer Temperatur von 87 °C. Eine Betrachtung der freien Mischungsenergien der im Abgas vorhandenen Komponenten führt zur Identifikation der Reaktionsfolge:Na2SO4-NaF-CaSO4-NaxByOz-Na2CO3-CaF2-NaOH-CaxByOz-CaCO3-Ca(OH)2Die Salze der starken Säuren, wie Schwefelsäure oder Fluorwasserstoff, werden bevorzugt gebildet. Die Rückreaktion aus dem Filterstaub erfolgt auf Grund der Verdrängungsreaktionen durch saure, gasförmige oder feste Phasen im Abgas. Da die Mischungsenergien der Komponenten in der definierten Verbindungsreihe von links nach rechts zunimmt, können SO3, F, B2O3, CO2 oder H2O durch Festkörperreaktionen mit in der Reihe links stehenden Komponenten aus ihren Salzen verdrängt werden.

Evaporation processes generally occurring in glass melting furnaces are undesirable phenomena. Volatile glass components like sodium or boron evaporate from batch and glass melt. Their loss does not only have an effect on glass composition, homogeneity and quality, but also makes flue gas filters behind glass melting tanks indispensable. Although the operation of these filters is often based on long experience and collected empirical data, filter corrosion or slip-through of components can still lead to enormous problems. In boron containing flue gases, the main difficulties during filter operation are the slip-through of the gaseous species (HBO2)n and H3BO3 and the back-reaction of already precipitated filter dust to gaseous species. This study focuses on the thermodynamic and kinetic conditions in flue gases consisting of combustion gases, sodium, boron and sulphur compounds. To identify the reaction mechanisms in flue gases, results from thermodynamic calculations, kinetic experiments and the analysis of industrial filter dust are combined. The obtained data may be used to adjust filter operation in such a way that the above mentioned problems are avoided.In sulphur free flue gases, the possible species are NaBO2, KBO2, Na2B4O7 and H3BO3. In sulphur containing gases Na2SO4, NaHSO4, Na3(HSO4)(SO4) and K3Na(SO4)2 will form. Sodium and potassium borates and sulfates form condensates that can easily be precipitated between 400 and 200 °C. Only if boron has no alkaline reaction partner, can it pass the filters as gaseous species. In this case, boron will condensate as H3BO3. The condensation temperatures of each species depend on the partial pressure of the compound in the flue gas. For a typical partial pressure of PH3BO3 = 1 ∙ 10-4 bar H3BO3 will condensate below 87 °C. The analysis of industrial filter dust in combination with thermodynamic calculations shows, that condensation of compounds from flue gas will occur in the following order:Na2SO4-NaF-CaSO4-NaxByOz-Na2CO3-CaF2-NaOH-CaxByOz-CaCO3-Ca(OH)2The formation of the salts of sulphuric or hydrofluoric acid is preferred. The back-reaction from filter dust results from the reaction of precipitated species with acid components. As the mixing energy of the phases in the row above increases from left to right, SO3, F, B2O3, CO3 and H2O can be disposed by any species positioned left in the row.

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